铝合金激光冲击强化表面改性的研究进展_柳军宁

铝合金激光冲击强化表面改性的研究进展

柳军宁*1,2裴峻峰1,2

(1.常州大学;2.江苏省油气井口装备工程技术研究中心)

摘要介绍了激光冲击强化的作用机理,综述了激光冲击强化对铝合金材料残余应力、疲劳寿命、表面形态和微观结构等机械性能的影响和有限元分析方法在研究中的应用,总结了国内外在该领域的最新研究迸展。

关键词激光冲击强化铝合金机械性能

中图分类号TQ05014+1文献标识码A文章编号0254-6094(2011)02-0141-05

铝合金比重小,但却有着接近或超过优质钢

的强度,具有热膨胀系数低、易于成形、热导率高、成本低廉等优点,广泛应用于航空、航天、汽车、包装、建筑、电子等各个领域。但是,铝合金也存在诸多问题,如在氯离子及碱性介质存在的情况下,极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏,硬度较低、摩擦系数高、磨损大,容易拉伤且难以润滑导致铝合金耐磨性差。这些在很大程度上都限制了铝合金的使用范围[1,2]。

国内外对铝及其合金表面进行改质处理的研究很多,这些方法都可改变铝及其合金表面的应力分布、摩擦系数、微观硬度等,以期拓宽其应用范围。激光冲击波技术利用其极高的冲击压力,对材料作冲击改性处理,在金属的冲击强化处理和材料的冲击精密成型等领域已获得广泛的应用[3]。笔者主要介绍激光冲击强化(LSP)在铝及其合金表面改性方面的应用和研究进展。

1激光冲击强化的机理

激光冲击强化(简称LSP)技术,是利用高功率密度(大于1GW/c m2)的短脉冲(ns级)激光,辐照金属材料表面所产生的高密度等离子体喷射爆炸所形成的冲击应力波(GPa级)来改善材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的一项新技术[4~8]。

激光冲击一般采用钕玻璃、红宝石及YAG高功率激光装置[9](图1),激光功率密度一般大于1G W/c m2,有时可达10T W/c m2。如此强度的激光与材料相互作用会出现激光等离子体现象,这是一种物理现象。如图2所示,激光冲击强化过程可分为3个阶段[10]:当强激光穿过约束层冲击金属表面的能量吸收层时,能量吸收层会吸收激光的能量,在极短时间内汽化电离,形成一个高温高压的等离子体层;由于约束层的存在,等离子体压力迅速升高,施与试样一个冲击加载,产生向金属内部的强冲击波;冲击波压力达到GPa量级,远大于材料的动态屈服强度,使材料产生屈服和塑性变形,

同时在成形区域产生残余压应力。

图1激光冲击强化设备示意图

*柳军宁,男,1984年10月生,硕士研究生。江苏省常州市,213016。

图2 激光冲击强化原理图

与已有的激光热处理等技术相比,激光冲击强化设备具有如下特点

[3]

:所要求的是激光脉冲

的峰值功率而非平均功率,激光系统所需脉冲宽度为10ns 量级、脉冲峰值功率为1GW 量级以上的高功率短脉冲激光系统;依据由高功率脉冲激光驱动的高压冲击波,基于激光冲击波效应(光力学效应)而非普通热效应(光热效应);其机理主要是金属材料处理层中位错密度的提高与残余压应力的产生;原则上可对所有的金属材料,包括对一些热处理效果不明显的材料进行有效的硬化(强化)处理;依据的是非热效应,故不存在热影响区,可进行任意的对接处理,乃至进行叠加处理。

2 对材料机械性能的作用2.1 残余应力

表面残余应力状态对材料的疲劳抗力有显著影响,它在疲劳载荷中起着与平均应力等效的作用。残余拉应力相当于正平均应力,可以降低疲劳强度;而残余压应力相当于负平均应力,它可以延缓疲劳裂纹的萌生,提高材料的疲劳强度。因此,冲击处理后由于压应力的存在,使材料的抗疲劳寿命得以延长[3]

。

激光冲击强化处理压应力的产生分为两个阶

段

[11]

,在激光与物质相互作用阶段,由等离子体的迅速喷射沿冲击波的传播方向产生一个纯粹的单轴压应力,而在平行于材料表面的平面内产生一个拉应力(图3a);受冲击的体积产生塑性应变,同时受冲击体积四周的金属材料为反抗这种因应变产生的体积变化,会在平行于冲击表面的

平面内产生双轴压应力场(图3b)。而这种压应

力场对提高材料的疲劳寿命、抗磨损能力和抗腐蚀能力等表面机械性能都是有益的

[12]

。

a .激光冲击过程中

b .激光冲击后

图3 激光冲击强化残余压应力的形成过程 残余应力的大小和分布主要与涂层、光斑直

径、冲击波的传播、激光强度和次数等因素有关

[13]

。M ontross C S 等用持续40ns 的激光冲击

2011-T3铝合金而不添加能量吸收涂层造成表面消熔,从而产生了很高的张应力。Fabbr o 等分别用1.2、5.0mm 光斑直径的激光冲击55C1钢,发现前者的冲击波以1/r 2

的衰减速度球面状传播,而后者则以1/r 的衰减速度在试样表面传播。Peyre 等用功率密度在1.5~2.0G W /c m 2

范围内的脉冲激光冲击A356-T6铝合金,材料表面残余压应力最高达到145M Pa 。杜建钧等[14]

利用钕玻璃强激光对厚度为1.2mm 铝合金板料进行了激光单点冲击成形实验,单次冲击LY12CZ 铝合金后,表面残余压应力达150M Pa ,而经过3次冲击后达250MPa 。表明激光脉冲冲击次数与板料的变形量之间存在直接关系,随着次数的增加,板料变形量呈非线性增大趋势。

2.2 表面形态和微观结构

激光喷丸是一种金属伴随着显著微观结构和相位变化的机械过程。金属的表面形态对疲劳寿命的影响很大,研究者们通过对激光冲击强化处理材料进行扫描电镜(SE M )观察并测量表面粗糙度以研究材料的表面形态。在没有激光吸收涂层保护的情况下,激光冲击强化处理会使金属(特别是铝及铝合金)产生严重的表面熔化和蒸发,从而导致金属表面变得粗糙,这对磨损和疲劳性能有很大的影响,所以选择合适的能量吸收涂层对冲击效果起着至关重要的作用。

Zhang X C 等

[15]

研究了T -i 6A -l 4V 铝合金在

激光冲击强化作用下的抗疲劳性能(图4),没有激光处理区域的维氏硬度为HV 0.05335,对样本分别冲击1、2次,维氏硬度分别增加15%、24%。PalM olian 等

[16]

在不同重复频率、不同吸收涂层

的情况下用激光冲击强化319铝合金(图5),光